La détection rapide des isotopes de l’uranium contribue à protéger les matières nucléaires


La détection rapide des isotopes de l'uranium contribue à protéger les matières nucléaires

chimistes analytiques de l’ORNL ont couplé une sonde de micro-extraction à un spectromètre de pour mesurer les rapports isotopiques de l’uranium à partir des absorptions environnementales. Crédit photo : Carlos Jones / ORNL, Département américain de l’énergie

Des chimistes analytiques du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont mis au point une méthode rapide de mesure des rapports isotopiques de l’uranium et du plutonium prélevés à partir d’échantillons environnementaux.

« Cette méthode s’appuie sur une sonde de micro-extraction commerciale pour échantillonner directement les solides, puis extraire les analytes d’une surface et dans une solution fluide », a déclaré Benjamin Manard de l’ORNL. Il a dirigé l’étude de validation de principe, qui a montré que ce mécanisme d’échantillonnage était efficace pour extraire les actinides (par exemple, l’uranium et le plutonium) à partir d’échantillonnages environnementaux. Le journal a fait la une du magazine Chimie analytique.

Cette innovation pourrait aider le Network of Analytical Laboratories (NWAL), dont l’ORNL est membre, l’AIEA à analyser des échantillons prélevés dans des installations du monde entier. Le coordinateur et co-auteur du DOE NWAL, Brian Ticknor, a déclaré: « La méthode de micro-extraction, si elle atteint une précision et une exactitude appropriées, pourrait permettre un débit d’échantillons plus élevé et un délai d’exécution plus rapide. »

La sonde de micro-extraction de la taille d’un stylo du produit Advion Plate Express utilise un « aspirateur humide » pour mobiliser le matériau d’une surface d’essuyage. L’équipe de Manard connecte la sonde à un instrument qui expose le matériau extrait à un plasma – un gaz plus chaud que la surface du soleil – et mesure les rapports masse/charge des ions générés à partir de l’échantillon.

« C’est vraiment un système intégré », a déclaré Manard. Un analyste place un mouvement de balayage sur la platine d’extraction, sélectionne une région d’intérêt et lance le processus en appuyant sur un bouton. La sonde de micro-extraction descend sur la lingette, la scelle à la surface de la table et délivre un solvant acide qui dissout tous les actinides présents dans la lingette. Ensuite, la solution contenant l’actinide est transférée dans un spectromètre de masse pour analyse. « Vous pouvez passer d’un échantillon solide à une mesure isotopique en appuyant simplement sur un bouton », a-t-il déclaré.

En utilisant cette nouvelle approche pour l’étude des solides, le co-auteur Kayron Rogers de l’ORNL a créé une série d’échantillons avec différentes quantités d’étalons de référence. L’équipe n’a pu détecter que 50 picogrammes d’uranium – 80 millions de fois plus léger qu’un grain de sable. En outre, les chercheurs ont effectué des mesures précises et précises des rapports des isotopes majeurs et mineurs des éléments dans les matériaux de référence . Dans une étude ultérieure, ils ont appliqué la technique à l’analyse du plutonium.







Le système ORNL extrait un solide d’une lingette, l’ionise avec une torche à plasma et mesure le rapport masse/charge de ses ions avec un spectromètre de masse. Crédit photo : Jaimee Janiga et Michelle Lehman / ORNL, US Department of Energy

« Les avantages de cette méthodologie pourraient être étendus au-delà de l’analyse des matériaux de base à de nombreuses applications qui nécessitent une analyse élémentaire directe », a déclaré Manard.

Traditionnellement, les analystes incinèrent les échantillons dans un four avant la digestion acide et les longues séparations chimiques. Le processus de l’incinération à l’analyse peut généralement prendre jusqu’à 30 jours. « L’objectif de ce projet était de réduire ces étapes au début – l’incinération et la dissolution », a déclaré Manard. « Si nous pouvions tester le balayage directement, nous n’aurions pas à essayer de transformer un balayage en liquide. »

Les chercheurs travaillent au Ultra-Trace Forensic Science Center de l’ORNL, un centre de services et un centre de recherche qui fournit une expertise et des instruments de spectrométrie de masse inorganique de pointe. « Ce projet rassemble des idées et des technologies développées à l’ORNL qui pourraient permettre le prochain changement révolutionnaire dans la méthodologie d’échantillonnage environnemental », a déclaré le co-auteur Cole Hexel, qui dirige le groupe de spectrométrie de masse chimique et isotopique du laboratoire.

Les chercheurs attendent avec impatience les expériences qui seront menées au cours des deux prochaines années pour examiner la polyvalence de la méthodologie.

Une approche innovante de la co-auteur Shalina Metzger consiste à placer une colonne de chromatographie entre la sonde de micro-extraction et le spectromètre de masse et à laisser s’écouler les solutions contenant des actinides à travers des tubes de connexion. Pendant que la colonne permettait à l’uranium de s’écouler, elle retenait le plutonium pour une élution et une mesure ultérieures. L’approche permettrait d’améliorer la sensibilité et l’identification élémentaires.

Au cours de leurs études, les chercheurs ont découvert que l’acide nitrique dégrade la tête de la sonde de micro-extraction. De futures expériences tenteront d’optimiser les conditions de solvant pour l’extraction des actinides sous différentes formes chimiques. « Nous utilisons également les installations d’impression 3D uniques d’ORNL pour fabriquer des composants avec des polymères plus résistants au solvant d’extraction », a déclaré Manard.

En fin de compte, les chercheurs de l’ORNL espèrent développer la capacité de distinguer les analytes individuels collectés sur un écouvillon afin d’obtenir un instantané holistique des activités d’une installation inspectée. Leur méthodologie couplée de micro-extraction et de spectrométrie de masse s’avère être une approche révolutionnaire pour atteindre cet objectif. L’équipe de Manard espère que les prochaines années de recherche seront fructueuses et feront de cet objectif une réalité.


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Plus d’information:
Benjamin T. Manard et al., Analyse directe des isotopes d’uranium des surfaces de balayage par Micro-Extraction-ICP-MS, Chimie analytique (2021). DOI : 10.1021 / acs.analchem.1c01569

Avec l’aimable autorisation du Laboratoire national d’Oak Ridge

Citation: La détection rapide des isotopes de l’uranium aide à protéger les matières nucléaires (2021, 15 octobre), consulté le 15 octobre 2021 sur https://phys.org/news/2021-10-quick-uranium-isotopes-safeguard-nuclear.html

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